Atmosferik basınçta Helyum gazı post-deşarj plazma üretimi ve karakterizasyonu karakterizasyonu

Bu kısımda, deneysel ölçümler süresince alternatif akım (AC) güç kaynağının voltaj ve frekansı sırasıyla 18 kV ve 15 kHz değerlerinde sabit tutulmuştur. Reaktör alternatif akım güç kaynağı ile çalıştırıldığında, atmosferik basınç post-deşarj/plazma jet üretimi sırasında Helyum gaz akış hızı 𝑓_𝐻𝑒 = 0,1 l/dk değerine arttırıldığında reaktörde bulunun elektrokimyasal yöntemle sivriltilmiş iğne elektrot ile topraklama görevi gören bakır halka elektrot arasında parlak bir ışıma görülmektedir. Elektrotlar arasında kalan bu parlak kısım, deşarj plazma olarak adlandırılmaktadır. Gaz akış hızının arttırılması ile (𝑓_𝐻𝑒 ≥ 0,6 l/dk durumunda) plazma, silindirik şekilli deşarj yolu içerisinden akarak, toprak bakır halka elektrota doğru genişlemektedir. Görünür bölgede nicel olarak ta gözlenebilen He plazması, akış hızının artması ile birlikte elektrotlar arasından çıkmaktadır. Gaz akış hızı daha da arttırıldığında atmosfer basıncına post-deşarj plazma/plazma jetin çıktığı görülmüştür. Bu süreçte elektrotlar arasından çıkarılan He gazı post-deşarj plazmasının atmosfer ortamında kendine bir koridor oluşturarak atmosfer ortamını iyonlaştırdığı ve ışık huzmesi oluşumunu gerçekleştirdiği görülmektedir.

Post-deşarj plazmalardaki değişim parametrelerin (elektrot tipi, elektrotun üretildiği malzeme, elektrotun şekli, kullanılan akımın türü, voltaj, frekans, gaz türü, gaz akış hızı gibi) yeterince fazla olması sebebiyle, değişim parametresi olarak yalnızca gaz akış hızı tercih edilmiştir. Spektroskopik ölçümler aynı koşullarda üç kez tekrarlanarak ortalama şiddet değerleri belirlenmiştir. Anlık şiddet değişimlerinin etkisini en az seviyeye indirebilmek için optik emisyon spektrometresinin integration time (birleştirme süresi) değeri 1 s’ de sabitlenmiştir. Optik emisyon spektrumları plazma jetin oluşturulduğu bölgeden 10 cm uzaklığa sabitlenmiş bir kamera ayaklığı yardımıyla, her ölçümün aynı nokta üzerinden alınması sağlanmıştır. Plazma jet ile spektrometrenin probu arasındaki açı her bir ölçüm işlemi sırasında 90° olacak şekilde ayarlanmıştır. Böylece optik emisyon spektrometresinin fiber kablosu ile üretilen plazma jetin etkileşmesi önlenmiştir. He gazı ile üretilen atmosferik basınç post-deşarj plazma/plazma jeti üzerinden 200 - 1000 nm dalgaboyu aralığında alınan optik emisyon spektrumu Şekil 5.20’ deki gibi elde edilmiştir.

Şekil 5.20. He gazının atmosferik basınç post-deşarj plazmasının karakteristik dalgaboyu şiddet grafiği (18 kV, 15 kHz).

Şekil 5.20’ de görüldüğü gibi He gazının atmosferik basınç post-deşarjı üzerinden alınan optik emisyon spektrumunda 283 nm’ de NO, 308 nm’ de OH, 337 nm, 357 nm ve 380 nm’

de N2, 391 nm ve 427 nm’ de N2+, 501 nm, 587 nm, 667 nm ve 706 nm’ de He piklerinin literatürle ulumlu olarak bulunduğu görülmektedir (Anghel vd., 2009;

Horvatic vd., 2015). NO molekülünün elde edilmesi atmosferik havadaki N2 ve O2

moleküllerinindönüşümünden kaynaklanmaktadır. OH radikalleri ise atmosferik havada bulunan su buharının plazma içerisinde bulunan uzun yaşam süreli türler ve hızlandırılmış elektronların çarpışmalarıyla ayrışmasından kaynaklanmaktadır (Kieft, vd., 2004;

Laroussi, vd., 2006). Elde edilen optik emisyon spektrumları incelendiğinde, He gazının atmosferik basınç post-deşarj plazma oluşumu sırasında plazma ortamında yüksek oranda N2 molekülleri ile N2+iyonlarının iyonize bir biçimde bulunduğu görülmektedir. Atmosfer ortamında gaz yüzdesi bakımından büyük bir oranda bulunan azot moleküllerinin He gazı post-deşarjı ile iyonizasyon sürecine önemli ölçüde dâhil olduğu görülmektedir. Bu durum, He gazı kullanılarak üretilen atmosferik basınç post-deşarj plazma içerisinde Penning-tipi iyonizasyonunun gerçekleştiğini göstermektedir (Tsukiji ve Wagatsuma, 2007). Jet oluşum ortamında atmosferik gazlar yer aldığından, ortamda bulunan herhangi bir M atom ya da

molekülü ile metastable He atomlarının etkileşimi sonucunda aşağıdaki reaksiyon gerçekleşmektedir:

𝐻𝑒^∗+ 𝑀 → 𝐻𝑒 + 𝑀⁺+ 𝑒⁻ (5.1)

Atmosfer ortamında bulunan 𝑁₂ molekülleri ile laboratuvar ortamında bulunan su buharının metastable He atomlarının etkileşim reaksiyonları aşağıdaki gibidir:

𝐻𝑒^∗+ 𝑁₂ → 𝐻𝑒 + 𝑁₂⁺+ 𝑒⁻ (5.2)

𝐻𝑒^∗+ 𝐻₂𝑂 → 𝐻𝑒 + 𝐻₂𝑂⁺+ 𝑒⁻ (5.3)

Şekil 5.21’ de farklı He gazı akış hızlarında oluşturulan atmosferik basınç post-deşarjın fiziksel boyutlarının değişimleri yer almaktadır.

Şekil 5.21. He gazının soğuk akan atmosferik basınç post-deşarj plazmasının gaz akış hızına göre değişimi.

Reaktörde He gazı akış hızı 5 l/dk’ ya ayarlandığında, post-deşarj plazmanın atmosfer basıncı ortamındaki uzunluğunun 50 mm’ ye kadar çıkabileceği görülmüştür (Ilik ve Akan, 2016). Şekil 5.21’ de atmosfer ortamına çıkan post-deşarj plazma Bölüm 3’ te detaylarına değinilen ve literatürle uyumlu olarak üç farklı bölgeye ayrılmış olup, bu bölgeler erken, orta ve geç post-deşarj bölgesi olarak sınıflandırılmıştır.

Şekil 5.22’ de erken, orta ve geç post-deşarj bölgelerinden sabit voltaj, sabit frekans ve sabit gaz akış hızında alınan emisyon spektrumları yer almaktadır.

Şekil 5.22. Erken - Orta - Geç evrelerinde He gazının atmosferik basınç post-deşarj plazması emisyon spektrumları.

Üç farklı post-deşarj bölgesinden alınan optik emisyon spektrumlarına göre erken post-deşarj bölgesi post-deşarj plazmanın elektrotlar arasından çıkarılarak atmosfer ortamına çıktığı ilk kısımdır. Geç post-deşarj bölgesi, plazmanın ipliksi bir yapı (filamentous pattern) oluşturduğu son kısmı olup, iyonizasyon sürecinin tamamlandığı kısımdır. Arada kalan kısım ise orta post-deşarj bölgesidir. Optik emisyon spektrumlarına göre, üretilen post-deşarj plazmanın elektrotları arasına en yakın olan erken post - post deşarj bölgesinde iyonizasyonun daha fazla gerçekleştiği görülmektedir. Ayrıca He gaz akış hızı arttırıldığında, orta post-deşarj bölgesinin uzunluk bakımından artış gösterdiği görülmüştür.

Öte yandan, atmosfer basıncına çıkan post-deşarj bölgesindeki plazmanın (jet) fiziksel

boyutlarının erken ve geç post-deşarj bölgelerinde sabit bir değerde kaldığı alınan optik emisyon spektrumları ile tespit edilmiştir.

Şekil 5.23’ te farklı He gaz akış hızlarında üretilen atmosferik basınç post-deşarj plazmaların optik emisyon spektrumları yer almaktadır. Burada He gazı atmosferik basınç post-deşarj plazma çalışmaları için optimum gaz akış hızı değerinin 4 l/dk olduğu edinilen veriler arasındadır. Yani belirlenen bu akış hızı değerinde, emisyon şiddetleri maksimum oranda gözlemlenmektedir.

Şekil 5.23. He gazı atmosferik basınç post-deşarj plazmasında (plazma jet) akış hızına bağlı şiddet değişimleri.

Şekil 5.24’ te ise, He gazı atmosferik basınç post-deşarj plazma içerisinde oluşan OH radikallerinin gaz akış hızına bağlı ışınım konsantrasyon değişimleri, farklı akış hızlarında alınan ölçüm sonuçları ile birlikte verilmektedir. He gaz akış hızının artışıyla birlikte 308 nm’ de gözlemlenen OH radikallerinin post-deşarj plazma içerisinde ışınım konsantrasyonunu arttırdığı görülmektedir (Wang vd., 2016).

Bu durum atmosfer ortamında bulunan su buharının plazma ortamında elektrik alan tarafından hızlandırılan serbest elektronlarla

𝐻𝑒^∗+ 𝐻₂𝑂 → 𝑂𝐻 + 𝐻 + 𝑒⁻ (5.4)

türündeki reaksiyonlara girdiğini göstermektedir.

Şekil 5.24. He gazı atmosferik basınç post-deşarj plazmasında (plazma jet) akış hızına bağlı olarak OH radikali ışınım konsantrasyonunun değişimi.

Şekil 5.25 ve Şekil 5.26’ da, He gazı atmosferik basınç post-deşarj plazması içerisinde uyarılan ve iyonize olan N2 ve N2+ moleküllerinin gaz akış hızına bağlı değişimleri farklı zamanlarda alınan ölçüm sonuçları ile birlikte verilmektedir.

Şekil 5.25. He gazı atmosferik basınç post-deşarj plazmasında (plazma jet) akış hızına bağlı olarak N2 molekülü ışınım konsantrasyonunun değişimi.

Şekil 5.26. He gazı atmosferik basınç post-deşarj plazmasında (plazma jet) akış hızına bağlı olarak N2+ iyonu ışınım konsantrasyonunun değişimi.

He gaz akış hızı 𝑓_𝐻𝑒 ≤ 3 l/dk değerine kadar arttırıldığında, He gazının atmosferik basınç post-deşarj plazma (plazma jet) içerisinde yer alan N2 molekülü ışınım konsantrasyonunun arttığı, akış hızı 𝑓_𝐻𝑒 > 3 l/dk olduğu durumda ise N2 molekülü ışınım konsantrasyonunun azaldığı belirlenmiştir. Öte yandan, N2+ iyonlarının ışınım konsantrasyonu N2 molekülü ışınım konsantrasyonu davranışıyla 𝑓_𝐻𝑒 ≤ 3 l/dk akış hızlarına kadar doğru, 𝑓_𝐻𝑒 > 3 l/dk akış hızlarında ise ters orantılı olarak sürekli bir artış göstermektedir. Bu durum Eşitlik (5.1)’ de genel formu verilen reaksiyonun özel bir halidir.

Yani üretilen plazma içerisinde,

𝐻𝑒^∗+ 𝑁₂ → 𝐻𝑒 + 𝑁₂⁺+ 𝑒⁻ (5.5)

reaksiyonu ile verilen Penning-tipi reaksiyonunun gerçekleştiği tespit edilmiştir.

Farklı He gaz akış hızlarında soğuk akan atmosferik basınç post-deşarj plazma içerisindeki O radikallerinin ışınım konsantrasyonu Şekil 5.27’ de gösterilmiştir.

Şekil 5.27. He gazı atmosferik basınç post-deşarj plazmasında (plazma jet) akış hızına bağlı olarak O radikali ışınım konsantrasyonunun değişimi.

Şekil 5.27’ ye göre, O radikallerinin post-deşarj plazma içerisindeki ışınım konsantrasyonlarının gaz akış hızı ile orantılı bir biçimde artış gösterdiği görülmektedir. Bu artışın sebebinin post-deşarj plazma ortamında bulunan yüksek enerjili serbest elektronlardan kaynaklandığı ve aşağıdaki türden reaksiyonların plazma içerisinde gerçekleştiği düşünülmektedir:

𝑒⁻+ 𝑂₂ → 𝑂 + 𝑂 + 𝑒⁻ (5.6)

Atmosfer ortamında serbest halde bulunan O2 moleküllerinin post-deşarj plazma içerisinde yer alan yüksek enerjili elektronlarla esnek olmayan çarpışmaları sonucu O radikallerinin oluşturduğu ışınımların arttığı görülmektedir.